매우 작은 크기 차이 갖는 분자쌍 효율적으로 분리 가능
(내외방송=정지원 과학전문 기자) 분리하기 어려웠던 여러 기체 혼합물을 효율적으로 분리할 수 있는 기술이 개발돼 탄소중립 시대에 한 발짝 더 가까워질 수 있을 전망이다.
KAIST는 27일 '내외방송'에 보낸 자료에서 "고동연 생명화학공학과 교수 연구팀이 전자빔(속도가 균일한 전자의 연속적인 흐름)을 탄소 분리막에 쏴 0.05나노미터 이하의 크기 차이를 갖는 기체 혼합물을 효율적으로 분리할 수 있는 기체 분리막을 개발했다"고 밝혔다.
탄소 분자체 분리막은 기존 고분자 분리막과 비교했을 때 높은 선택도와 투과도를 동시에 충족시켜 유망한 재료로 거론되고 있다.
하지만, 매우 작은 크기 차이를 지닌 분자쌍을 효율적으로 분리하는 데 어려움을 겪고 있다.
연구팀은 이를 해결하기 위해서 탄소 분리막의 전자 조사 조절은 탄소나노튜브 같은 탄소 입자에 고에너지 전자빔을 조사할 때 독특한 구조가 형성된다는 것을 착안했다.
높은 에너지를 지닌 전자가 탄소 입자에 조사되면 입자 내에 빈자리와 틈새 같은 탄소 결함이 생기는데, 이는 탄소 입자간 또는 외부 분자와 결합을 촉진시켜 독특한 탄소 구조가 만들어진다.
이에 연구팀은 그동안 온도와 대기 조성 등 열분해 조건에서만 국한돼 있는 기존의 탄소 분리막 미세다공정 조절방식에서 벗어나 '전자 조사'를 새로운 조절 방식으로 제안한다.
전자빔이 탄소 분리막에 조사되면 분리막 표면의 산소 기능화와 초미세기공 수축이 일어난다는 것을 알아냈으며 조사량 제어를 통해 기공 치수를 설정했다.
탄소 분리막 내 0.7나노미터 이하의 초미세기공은 전자 조사량에 따라 0.4나노미터나 그 이하의 기공 크기를 보였으며 0.05나노미터 이하의 크기 차이를 지닌 분자쌍을 정밀하게 걸러낼 수 있게 한다.
연구팀은 그동안 분리에 어려움을 겪었던 여러 기체 혼합물을 전자 조사된 탄소 분리막을 이용해 성공적으로 분리했으며 앞으로 분리막의 상용화와 함께 분리막의 적용 범위를 획기적으로 확대할 가능성도 입증했다.
고 교수는 "전자 조사를 통한 분리막 기반 분리 공정을 확대 적용할 수 있다면 산업계의 글로벌 경쟁력 강화와 국가 에너지 안보 확립에 이바지할 수 있을 것"이라고 말했다.
오반석 박사과정이 제1저자로 참여한 이 연구는 한국연구재단 기초연구사업과 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐으며 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 최근 온라인 게재됐다.(논문명: Electron-mediated control of nanoporosity for targeted molecular separation in carbon membranes).
